JP2016506592A - 均一なプラズマ密度を有する容量結合プラズマ装置 - Google Patents

Abstract

本願で開示された技術は、プラズマの生成に用いられる電極全体にわたって均一な電子密度を有するプラズマを生成する装置及び方法を含む。容量結合プラズマシステムの上側電極（熱い電極）は、均一なプラズマの生成を容易にするように構成される構造部位を有して良い。前記構造部位は、前記プラズマに対向する表面上に表面形状を画定する。前記構造部位は、略長方形の断面を有し、かつ、前記上側電極の表面から突出する複数の同心円の輪からなる組を有して良い。前記構造部位はまた、ある断面サイズ及び形状を有する密で細長い突出部をも有して良い。前記突出部の間隔は、システムが均一な密度のプラズマを生成するように選ばれる。

Description

本開示は、容量結合プラズマシステムを用いたプラズマ処理を含む試料のプラズマ処理に関する。

半導体デバイス製造プロセスにおいて、プラズマプロセス−たとえばエッチング、スパッタリング、CVD（化学気相成長法）等−は、被処理基板−たとえば半導体ウエハ−上で日常的に実行される。係るプラズマプロセスを実行するプラズマ処理装置の中でも、容量結合平行板プラズマ処理装置は広く用いられている。

容量結合平行板プラズマ処理装置では、一対の平行板電極（上側電極と下側電極）がチャンバ内に設けられ、かつ、処理気体がチャンバ内に導入される。高周波(RF)電力を少なくとも1つの電極へ印加することによって、高周波電場が電極間に生成され、その結果として処理気体のプラズマが、高周波電場によって生成される。

半導体ウエハのプラズマエッチングは、平行板容量結合プラズマ装置を用いることによって広く実行されている。半導体業界は、ウエハ上のノード（重要な構造）を狭くすなわち小さくしようするだけではなく、より大きなウエハサイズを用いる方向に移っている。たとえば業界は、直径300nmのウエハでの処理から直径450nmのウエハでの処理に移行している。ノードのサイズが小さくなり、かつ、ウエハが大きくなることで、プラズマとラジカルの巨視的及び微視的な均一性が、被処理ウエハ内での欠陥を回避する上でますます重要になってきている。

容量結合プラズマ(CCP)では、重大な課題はプラズマの不均一性である。ウエハプロセスでは超高周波プラズマ(30-300MHz)を用い、かつ、フラットパネルディスプレイプロセスでは高周波(RF)プラズマ(3-30MHz)を用いることがより望ましくなってきている。しかしそのような高周波プラズマは、プラズマ中に生成される定在波が少なくとも一因で、不均一になる傾向がある。

CCPシステムの不均一性を解決する従来の試みには、ガウシアンレンズを備える熱い電極と位相制御技術の利用が含まれる。しかしこれらの試みは複雑かつ高価である。

本願で開示された技術は、均一なプラズマの生成を容易にするように構成される構造部位を備える容量結合プラズマシステムの上側電極（熱い電極）を有する。前記構造部位は、前記プラズマに対向し、定在波の妨害を容易にし、かつ/あるいはプラズマ空間内での定在波の生成を防止する表面上に表面形状を画定する。たとえば前記構造部位は、略長方形の断面を有し、かつ、前記上側電極の表面から突出する複数の同心円の輪からなる組を有して良い。前記断面のサイズ、形状、寸法、及び前記輪の間隔はすべて、システムが均一な密度のプラズマを生成するように選ばれる。

一の実施例は、平行板容量結合プラズマ処理装置内で使用されるように構成される電極板を含む。プラズマ処理装置は、標的基板を収容するプロセス空間を構成する処理チャンバを有する。処理気体供給ユニットは、処理気体を処理チャンバへ供給するように含まれ、かつ、構成される。前記処理チャンバの排出ポートと結合する排出ユニットは、前記処理チャンバ内部から気体を真空排気する。第1電極と第2電極は、前記処理チャンバ内部で互いに対向するように設けられている。前記第1電極は上側電極である。前記第2電極は下側電極である。前記第2電極は、載置台によって前記標的基板を支持するように構成されている。第1高周波(RF)出力印加ユニットは、前記第１電極へ第1RF出力を印加するように構成されている。第2RF出力印加ユニットは、前記第2電極へ第2RF出力を印加するように構成されている。前記電極板は前記第1電極に載置可能である。前記電極板は、前記第1電極に載置されるときに前記第2電極に対向する表面領域を有する。前記表面領域は、実質的に平坦で、かつ、前記表面領域から突出する複数の同心円の輪からなる組を有する。各同心円の輪は所定の断面形状を有する。各同心円の輪は、隣接する同心円の輪から所定のギャップ間隔だけ離間している。

他の実施例はプラズマ処理装置を含む。これは複数の構成要素を含んで良い。処理チャンバは、標的基板を収容するプロセス空間を構成する。処理気体供給ユニットは、処理気体を前記処理チャンバへ供給するように構成される。排出ユニットは、前記処理チャンバ内部から気体を真空排気するように前記処理チャンバの排出ポートに接続される。第1電極と第2電極は、前記処理チャンバ内部で互いに対向するように設けられている。前記第1電極は上側電極である。前記第2電極は下側電極である。前記第2電極は、載置台によって前記標的基板を支持するように構成されている。前記第1電極は、前記第2電極に対向する表面を有する電極板を有する。前記表面は、実質的に平坦で、かつ、所定形状の外側境界を有する。前記表面は、複数の細長い突出部からなる組を有する。各細長い突出部は、前記表面から所定高さだけ延びている。各細長い突出部は、前記の平坦な表面に沿って前記第1電極の中心地点の周りで延びている。前記細長い突出部の少なくとも一部は、前記表面の外側境界と実質的に相似する細長い形状を有する。前記複数の細長い突出部からなる組は、前記突出部の一部が少なくとも1つの他の突出部によって取り囲まれるように設置される。所与の細長い突出部の各々は、隣接する細長い突出部から所定距離に設置されて良い。第1高周波(RF)出力印加ユニットは、前記第１電極へ第1RF出力を印加するように構成されている。

他の実施例は、プラズマ処理装置を用いた基板処理のために均一なプラズマを生成する方法を含む。当該プラズマ処理装置は、真空排気可能な処理チャンバ、前記処理チャンバ内に設けられて標的基板用の載置台として機能する下側電極、前記処理チャンバ内で前記下側電極と対向するように設けられる上側電極、及び、前記上側電極と接続する第1高周波(RF)電源を有する。前記第1RF電源は、前記上側電極へ第1RF出力を供給する。標的基板は、前記処理チャンバ内に搬入され、かつ、前記下側電極上に載置される。初期気体は前記処理チャンバから排気される。処理気体は、前記処理チャンバへ供給される。プラズマは、前記第1RF出力を前記上側電極へ印加することによって前記処理気体から生成される。前記上側電極は、前記第2電極に対向する表面領域を有する。前記表面領域は、実質的に平坦で、かつ、前記表面領域から突出する複数の同心円の輪からなる組を有する。前記複数の同心円の輪からなる組は所定間隔の分布をとるように配置される。各同心円の輪は所定の断面形状を有する。

当然のこととして、本願に記載されている各異なる工程の議論の順序は簡明を期すために与えられたものである。一般的には、これらの工程は任意の適切な順序で実行されて良い。それに加えて、本願における様々な特徴部位、技術、構成等の各々が本開示の各異なる場所で論じられているが、基本概念の各々は互いに独立して実行され得るし、又は、互いを結合して実行され得ることが意図されている。従って本発明は多くの異なる方法で実施及び検討されて良い。

この「発明の概要」は、すべての実施例を特定しないし、かつ/あるいは、本開示又は請求項に係る発明の新規の態様を一つずつ特定しない。その代わりにこの「発明の概要」は、様々な実施例の基本的な議論及びそれに対応した従来技術に対する新規性のみを与えている。本発明と実施例のさらなる詳細及び/又は考えられ得る視点のため、以降で詳述する詳細な説明と対応する本開示の図へ読者を導く。

本発明のより完全な評価及びそれに付随する利点は、特に添付図面と共に以降の詳細な説明を参照することですぐに明らかになる。図面は必ずしも正しい縮尺で描かれていない。むしろ特徴、原理、及び基本概念を例示する際には、強調されている。

本願に開示されている実施例によるプラズマ処理装置の概略的構成を示す断面図である。 本願に開示されている実施例による上側電極の側部断面図である。 本願に開示されている実施例による上側電極の底面図である。 本願に開示されている実施例による上側電極の拡大側部断面図である。 本願に開示されている実施例による上側電極の斜視断面図である。 A-Dは、本願に開示されている実施例による典型的な上側電極の突出部の側部断面図を示している。 A,Bは、本願に開示されている実施例による上側電極の形状典型的な側部断面図を示している。 A,Bは、様々な突出パターンを示す上側電極の底面図である。 A,Bは、本願に開示されている実施例を利用しない電子密度の線プロットである。 A,Cは、本願に開示されている実施例を利用しない電子密度の等高線プロットで、B,Dは、本願に開示されている実施例による電子密度の結果の等高線プロットである。 本願に開示されている実施例による上側電極の側部断面図である。 本願に開示されている実施例による上側電極の底面図である。

以降の記載では、たとえば処理システムの具体的な幾何学的形状、並びに様々な部品及び処理の記載といった具体的詳細について説明される。しかし本発明は、これらの具体的詳細から逸脱する他の実施例でも実施可能であることに留意して欲しい。本願の実施例は添付図面を参照しながら説明される。同様に、説明目的で、具体的数値、材料、及び構成が、完全な理解を供するために与えられる。それでも実施例はそのような具体的詳細がなくても実施可能である。実質的に同一な機能上の構成を有する構成要素には同様の参照符号が付される。よって冗長な記載は省略され得る。

様々な技術が、様々な実施例の理解を容易にするため、複数の独立した操作として記載されている。記載の順序は、これらの操作が必ず順序に依存することを示唆するように構築されてはならない。特にこれらの操作は、提示順序で実行される必要はない。記載されている操作は、記載された実施例とは異なる順序で実行されて良い。様々な追加の操作が実行されて良いし、かつ/あるいは、記載された操作は省略されて良い。

本願において用いられる「基板」又は「標的基板」とは概して、本発明によって処理される対象物を指称する。基板は、素子−特に半導体又は他のエレクトロニクス素子−の材料部分又は構造を含んでよく、かつ、たとえば底部基板構造−たとえば半導体ウエハ又は底部基板構造上に存在する若しくはその構造を覆うように存在する層（たとえば薄膜）−であってよい。よって基板とは、任意の特定の底部構造、下地層若しくは上を覆う層、パターニングの有無に限定されず、むしろ係る層若しくは底部構造、並びに、係る層及び/若しくは底部構造の任意の組み合わせを含むと解される。以降の説明は、特定の種類の基板を参照するが、これは単なる例示であって限定ではない。

本願において開示されている技術は、プラズマ処理システム、及び、均一なプラズマ生成を可能にする構造をとる付随の電極板を有する。電極板は、プラズマ生成空間に対向する表面を有する。このプラズマ対向表面は、たとえ超短波(VHF)のRF（高周波）出力を用いてプラズマを生成するときでさえも、プラズマの均一性を促進する表面を有する。係る表面構造は、隆起した同心円の輪、密なループ、又は半径方向バリアを供する他の突出部を含んで良い。複数の同心円の輪からなる組の各輪は、巨視的なプラズマの均一性と微視的なプラズマの均一性の両方を促進するように設計された、断面高さ、断面幅、及び断面形状のみならず、隣接する輪からの間隔を有する。

様々な方法を用いてプラズマを生成する様々なプラズマ処理方法が存在する。たとえば様々な方法にはとりわけ、誘導結合プラズマ(ICP)、ラジアルスロットアンテナ(RLSA)、及び容量結合プラズマ(CCP)が含まれて良い。便宜上、本願で提示される実施例は、平行板容量結合(CCP)システムで説明される。とはいえ電極を用いた他の方法も、様々な実施例で利用可能である。

図1は、本願に開示されている実施例によるプラズマ処理装置の概略的構成を示す断面図である。図1のプラズマ処理装置100は、突出部すなわち上側電極から突出してプラズマ空間へ入り込む構造のパターンを備える上側電極を有する容量結合平行板エッチング装置である。本願の技術は、他のプラズマ処理装置−たとえばプラズマクリーニング、プラズマ重合、プラズマ化学気相成長法等−でも利用され得ることに留意して欲しい。

より詳細には、プラズマ処理装置100は、たとえば実質的に円筒形状を有するプロセス空間を供する処理容器を画定する処理チャンバ110を有する。処理容器はたとえば、アルミニウム合金で構成されて良く、かつ、電気的に接地されて良い。処理容器の内壁は、アルミナ(Al₂O₃)、イットリア(Y₂O₃)、又は他の保護剤によってコーティングされて良い。サセプタ416は、基板としてウエハWを上に載置する載置台として機能する第2電極の例として下側電極400（下側電極集合体）の一部を構成する。具体的には、サセプタ416はサセプタ支持体114上で支持されている。サセプタ支持体114は、絶縁板112を介した状態で処理チャンバ110内の底部の実質的中心に供される。サセプタ支持体114は円筒形であって良い。サセプタ416はたとえばアルミニウム合金で構成されて良い。

サセプタ416の上には、ウエハWを保持するための（下側電極集合体の一部としての）静電チャック418が供される。静電チャック418には電極410が供される。電極410は、DC（直流）電源122と電気的に接続される。静電チャック418は、DC電源122からのDC電圧が電極410へ印加されるときに発生するクーロン力によって、ウエハWを引きつける。

集束リング424が、静電チャック418を取り囲むようにサセプタ416の上側表面上に供される。たとえば石英で構成される円筒形内壁部126は、静電チャック418とサセプタ支持体114の外側周辺部に取り付けられる。サセプタ支持体114は環状の冷却路128を有する。環状の冷却路128は、たとえばライン130aと130bを介して処理チャンバ110の外側に設置されたチラーユニット（図示されていない）とやり取りする。環状の冷却路128には、ライン130aと130bを介して循環する冷却材（冷却液体又は冷却水）が供給される。従ってサセプタ416の上/上方に載置されるウエハWの温度は制御可能である。

サセプタ416とサセプタ支持体114を通過する気体供給ライン132は、伝熱気体を静電チャック418の上側表面へ供給するように構成される。伝熱気体（背面気体）−たとえばHe（ヘリウム）−は、ウエハWの加熱を容易にするように、気体供給ライン132を介してウエハWと静電チャック418との間に供給されて良い。

第1電極の例である上側電極300（つまり上側電極集合体）は、下側電極400と平行に対向するように、下側電極400の垂直上方に供される。プラズマ生成空間すなわちプラズマ空間(PS)は、下側電極400と上側電極300との間で画定される。上側電極300は、円盤形状を有する内側の上側電極302を有する。外側の上側電極304は、内側の上側電極302の外側を取り囲む環状形状であって良い。内側の上側電極302はまた、下側電極400上に載置されるウエハW上のプラズマ生成空間へ特定量の処理気体を注入する処理気体注入部としても機能する。それにより上側電極300はシャワーヘッドを構成する。

より詳細には、内側の上側電極302は、複数の気体注入開口部324と突出部314を有する電極板310（一般的には円形である）を有する。突出部314とその構成については以降で詳述する。内側の上側電極302はまた、電極板310の上側を取り外し可能なように支持する電極支持体320をも有する。電極支持体320は、電極板310が円形であるときに電極板310の直径と実質的に同一の直径を有する円盤形状で形成されて良い。代替実施例では、電極板310は、正方形、長方形、多角形等であって良い。電極支持体320は、たとえばアルミニウムで構成されて良く、かつ、バッファチャンバ322を有して良い。バッファチャンバ322は、気体を拡散させるのに用いられ、かつ、円盤形状を有する空間を有する。気体供給システム200からの処理気体はバッファチャンバ322へ導入される。続いて処理気体は、バッファチャンバ322から気体注入開口部324の下側表面へ移動して良い。内側の上側電極は基本的にシャワーヘッド電極を供する。

輪の形状を有する誘電体306が、内側の上側電極302と外側の上側電極304との間に介在される。輪の形状を有し、かつ、たとえばアルミナで構成される絶縁遮蔽部308が、外側の上側電極304と処理チャンバ110の内側の周辺壁との間で密に介在される。

外側の上側電極304は、給電線152、コネクタ150、上側給電ロッド148、及び整合ユニット146を介して第1高周波電源154と電気的に接続される。第1高周波電源154は、40MHz（メガヘルツ）以上（たとえば60MHz）の周波数を有する高周波電源を出力して良いし、又は、30-300MHzの周波数を有する超短波(VHF)電圧を出力しても良い。給電線152は、たとえば開いた下側電極を有する実質的に円筒形状となるように構成されて良い。給電線は、外側の上側電極304の下端に接続されて良い。給電線152は、コネクタ150によって、上側給電ロッド148の上側表面の中心でその下端と電気的に接続される。上側給電ロッド148は、整合ユニット146の出力側とその上端で接続される。整合ユニット146は、第1高周波電源154に接続され、かつ、第1高周波電源154の内部インピーダンスとインピーダンス負荷を整合させて良い。しかし外側の上側電極304は任意であり、かつ、実施例は単一の上側電極で機能し得ることに留意して欲しい。

給電線152の外側は、接地導体111によって被覆される。接地導体111は、直径が処理チャンバ110の直径と実質的に同一な側壁を有する円筒形状であって良い。接地導体111は、処理チャンバ110の下端でその側壁の上部に接続される。上側給電ロッド148は、接地導体111の中心部を通り抜ける。絶縁部156は、接地導体111と上側給電ロッド148との間の接触部分に介在される。

電極支持体320は、下側給電ロッド170とその上側表面で電気的に接続される。下側給電ロッド170は、コネクタ150を介して上側給電ロッド148に接続される。上側給電ロッド148と下側給電ロッド170は、第1高周波電源154からの高周波電力を上側電極300へ供給する給電ロッドを構成する（「給電ロッド」と総称する）。可変コンデンサ172が下側給電ロッド170内に供される。可変コンデンサ172のキャパシタンスを調節することによって、高周波電力が第1高周波電源154から印加されるとき、内側の上側電極302の直下に生成される電場強度に対する外側の上側電極304の直下に生成される電場強度の相対比が調節され得る。

気体排出ポート174は、処理チャンバ110の底部に形成される。気体排出ポート174は、気体排出ライン176を介して、たとえば真空ポンプを有し得る気体排出ユニット178に接続される。気体排出ユニット178は、処理チャンバ110の内部を排気することで、処理チャンバ110の内圧を所望の真空度にまで減圧する。サセプタ416は、整合ユニット180を介して第2高周波電源182と電気的に接続されて良い。第2高周波電源182は、2MHz〜20MHz−たとえば2MHz−の範囲の高周波電圧を出力して良い。

上側電極300の内側の上側電極302は、LPF（ローパスフィルタ）184と電気的に接続される。LPF184は、第1高周波電源154からの高周波を阻止する一方で、第2高周波電源182からグランドへの低周波を通す。他方下側電極の一部を構成するサセプタ416は、HPF（ハイパスフィルタ）と電気的に接続される。HPF186は、第1高周波電源154からグランドへの高周波を通す。気体供給システム200は、気体を上側電極300へ供給する。気体供給システム200は、たとえば図1に示されているようにウエハ上での具体的処理−たとえば膜の生成、エッチング等−を実行するため、処理気体を供給する。処理気体供給ユニット210は、処理気体供給路を構成する処理気体供給ライン202に接続される。処理気体供給ライン202は、内側の上側電極302のバッファチャンバ322に接続される。

プラズマ処理装置100は、プラズマ処理装置100の各構成要素を制御する制御ユニット500と接続される。たとえば制御ユニット500は、気体供給システム200の処理気体供給ユニット210等に加えて、DC電源122、第1高周波（又はVHF）電源154、第2高周波（又はVHF）電源182等を制御する。

内側の上側電極302は、容量結合プラズマ装置用の平行板を構成する、下側電極400に対向する平行板310を有する。電極支持体320は、下側電極400に対向する電極板の後側の表面（ここでは電極板の背面）と接触し、かつ、電極板310を取り外し可能な状態で支持する。代替実施例では、電極板310は上側電極300と一体化されて良い。しかし取り外し可能な電極板を有することは有利である。なぜならプラズマは、化学反応しやすく、かつ、下側電極に対向する表面領域を腐食させる恐れがあるからである。従って電極板は、交換すなわち特定の種類のプロセスに適した様々な異なる材料の電極板を選択するために取り外されて良い。

上側電極300は、電極板310の温度を制御する冷却板又は機構（図示されていない）をも有して良い。電極板310は、導体又は半導体−たとえばSi、SiC、ドーピングされたSi、Al等−で構成されて良い。

動作中、プラズマ処理装置100は、上側電極と下側電極を利用してPS内にプラズマを生成する。続いてこのようにして生成されたプラズマは、様々な種類の処置−たとえばプラズマエッチング、化学気相成長、ガラス材料の処置、大きなパネルの処置等−で標的基板−たとえばウエハW又は任意の被処理材料−を処理するのに利用されて良い。便宜上、このプラズマ生成は、ウエハW上に生成された酸化膜のエッチングについて説明する。最初にウエハWは、ゲートバルブ（図示されていない）が開かれた後、ロードロックチャンバ（図示されていない）から処理チャンバ110へ搬入され、かつ、静電チャック418上に載置される。続いてDC電圧がDC電源122から印加されるとき、ウエハWは静電チャック418に静電的に取り付けられる。その後ゲートバルブが閉じられ、かつ、処理チャンバ110は、気体排出ユニット178によって特定の真空度にまで排気される。

その後処理気体は、処理気体供給ライン202を介して、処理気体供給ユニット210から上側電極300内のバッファチャンバ322へ導入される。それと同時に処理気体の流量がたとえばマスフローコントローラによって調節される。さらに、バッファチャンバ322へ導入された処理気体は、電極板310（シャワーヘッド電極）の気体注入開口部324からウエハWへ放出される。その後、処理チャンバ110の内圧は特定の水準に維持される。

3〜150MHzの範囲の高周波電力が、第1高周波電源154から上側電極300へ印加される。それにより高周波電場が、上側電極300と、下側電極を構成するサセプタ116との間に生成される。処理気体が解離されてプラズマに変換される。0.2〜20MHzの範囲−たとえば2MHz−の低周波電力は、第2高周波電源182から下側電極を構成するサセプタ116へ印加される。換言すると、二重周波数システムが利用されて良い。その結果、プラズマ中のイオンはサセプタ116へ向かうように引きつけられ、かつ、エッチングの異方性はイオンの支援によって増大する。

容量結合プラズマ装置の主要な課題はプラズマの不均一性である。あるプラズマ処理は、30-300MHz範囲の超短波(VHF)電力を利用する利点を享受し得る。しかし係るVHF電力は、不均一な電場を生成する傾向にある。高周波では、特に波長が電極の直径と比較して小さくなるので、波長が減少すれば不均一性が増大する。そのような不均一性は問題である。なぜならそのような不均一性は結果として、ウエハWの曝露を不均一にしてしまい、そのような不均一な曝露は、ウエハW中での欠陥を生じさせてしまう。

均一なプラズマの生成は複雑である。理想的なプラズマでは、プラズマ内部でイオンと電子は均等に分布している。プラズマの均一性に影響を及ぼし得る様々な変数が存在する。これらの変数には、出力、周波数、圧力、材料等が含まれる。不均一性の一の指標は、様々な位置でのプラズマ内部での電子密度である。図9Aは、電極板上の位置に対する電子密度（プラズマ密度）の線プロットを示している。この線プロットでは、X軸は、（電極板と位置合わせされた）ウエハの中心位置からの距離を示している。0はウエハの中心である。Y軸は相対電子密度を示している。ウエハの中心と端部との間に大きな電子密度の差異602が存在することに留意して欲しい。ウエハ中心での電子密度は端部での電子密度の約3〜4倍なので、急峻な中心ピークが存在する。

図9Bでも、同様な中心ピークすなわち中心での高い電子分布が存在する。図9Bは、より高い圧力が利用されている点で図9Aとは異なる。より高い圧力によって、端部での電子密度よりも約3〜4倍の電子密度を有する中心ピークは依然として存在するが、この高い圧力ではウエハ又は電極の端部付近に第2ピークも存在することに留意して欲しい。

図10Aは、上側電極309と下側電極400に対するプラズマ空間内での電子密度を示す等高線図である。上側電極309（又は電極板）は、従来の電極板のように概して平坦な表面を有することに留意して欲しい。図10Aは図9Aと相関している。等高線図中の暗い空間は高い電子密度を表している。従って図10Aは、プラズマ空間の中心で電子密度が高いことを示している。電極端部へ向かって電子密度は相対的に低くなる。図10Cは図10Aと相似する。ただし図10Cは図9Bと相関している点は除く。そのため、中心での高い電子密度だけではなく、プラズマ空間の端部にも（相対的に小さい）第2ピークが存在することに留意して欲しい。

よって本願の技術は、たとえばこの波を除去及び/又は制御することによってプラズマ内部での均一な電子密度を促進するように考えられてきた。技術は、電極板310上の1つ以上の構造を利用することを含む。係る構造は電極板310の表面に対向するプラズマ上に設けられる。係る構造は、半径方向に−すなわち電極板310の中心点から外側へ−1つ以上のバリアを供するように構成されて良い。

ここで図2を参照すると、典型的な電極板310の側方断面図が示されている。表面領域312上には、複数の突出部314が存在する。これらの構造（突出部）は、表面領域312に沿って中心点318から外側境界316へ向かって移動するときに、ある種のバリアを構成することに留意して欲しい。

図3は電極板310の底面図を示している。この図では、突出部314は、中心点318周辺に中心をとる複数の同心円の輪からなる組として表されている。一部の実施例では、複数の同心円の輪からなる組は均等すなわち等距離の間隔を有して良い。他の実施例では、間隔は可変であって良い。断面のサイズと形状、及び同心円の輪間でのギャップ距離は、プラズマ波長又は予想プラズマ波長に基づいて良い。同心円の輪の数もまた、表面領域312の直径に基づいて変化して良い。輪又は突出部314は、表面領域312上に載置又は固定（溶接、溶融、固着）されて良く、あるいは、たとえば突出部の加工又は電極板の鋳造によって電極板310と一体化されても良い。

図4は、電極板310の拡大断面図である。この図では、突出部314は、略長方形の形状を有するものとして示されている。円筒形状部332とそれらを分離する部分(fillet)334が存在する。そのような円筒形状部は必須ではないが、波の伝播を制御する上で有利な効果を有し得る。各突出部は、幅336と断面高さ338を有して良い。隣接する突出部は、互いにギャップ距離340だけ離間されている。そのようなギャップ距離340は、端部間、中心間、又はそれ以外から測定されて良い。これらの寸法の値は絶対的であっても良いし、又は、相対的であっても良い。たとえば値は、電極板の直径、特定のエッチング/堆積プロセス、又は、生成されたプラズマのプラズマ波長に基づいて特定の範囲の寸法から選ばれて良い。1〜10cmの波長を有するVHFプラズマでは、突出部の直径とギャップ距離は、最適なプラズマ均一性を得るその波長に基づいて決定されて良い。

図5は、プラズマ空間に対向する表面領域312を示す電極板310の拡大断面斜視図である。

本願の実施例で利用されるように選ぶことのできる断面形状には様々なものが存在する。たとえば図6Aは、突出部314が基本的に、表面領域312から飛び出したフィンとなるような相対的に薄い断面形状を示している。図6Bは突出部314の台形形状を示している。図6Cでは、突出部314は、円形又は半円形状である。図6Dでは、突出部314は三角形状である。

突出部314の様々な断面形状に加えて、電極板310は他の断面形状を有して良い。たとえば図7Aは、表面領域312が（プラズマ空間に対して）凹型の曲率を有するガウシアンレンズ形状を有する電極板310を示している。図7Bでは、電極板は、表面領域312の各異なる部分が下側電極400からの垂直距離が各異なるような段差がつけられた表面領域312を有する。

図8Aは、電極板310の代替実施例の底面図である。複数の同心円の輪からなる組の代わりに、図8Aは、長方形の表面領域312を有する電極板310を示している。図中、長方形及び楕円形の細長い突出部が電極板の中心を取り囲んでいる。図8Bでは、突出部314は同心円の輪である。前記同心円の輪は連続的ではない。しかし前記同心円の輪は、突出部314が依然として表面領域312上で所与の半径方向に対して略垂直なバリアを供するような開口部を有する。他の実施例では、輪又は突出部は連続的である。

対応するプラズマ処理装置内での電極板上での係る突出部によって、プラズマ処理装置は、たとえVHF出力でも均一な電子密度を供することができる。図10Bと図10Dは、同心円の輪又は他の細長い突出部を有する電極板310を用いるプラズマ処理装置内での電子密度の典型的な等高線プロットを示している。係る電極板の突出部の結果は、プラズマ空間全体にわたって概して均一な電子密度であることに留意して欲しい。本願の技術がなければ、プラズマの不均一性は200%以上にもなる恐れがある一方、本願の技術は、10%未満のプラズマ不均一性を供することができる。

図11と図12は、電極板310の別な典型的配置を表している。図11は典型的な電極板310の側部断面図である。図12は電極板310の底面図である。表面312上では、表面から突出するか、さもなければ表面に取り付けられた複数の突出部314（たとえばフィン）が存在する。突出部324は、表面312の外側部分内に配置されることに留意して欲しい。よって表面312の内側の環状部には突出部は存在しないが、表面312の外側の輪形状部は、突出部324の複数の同心円の輪を有する。突出部314は略三角形又は錐体断面形状を有することにも留意して欲しい。表面312に対して垂直な突出部314の側壁の代わりに、側壁は、表面312に対して鈍角を有する。たとえば係る鈍角は、表面312から隣接する側壁まで約100°〜160°であって良い。角度がつけられた側壁を有することで、プラズマの均一性はさらに促進される。たとえば表面領域312付近又は表面領域312にわたって進行する高周波電磁波はプラズマ空間へ入り込むように偏向されることで、均一性が増大する。この実施例では、典型的には、高周波RFは上側電極から供給され、かつ、低RF周波数は下側電極から供給されて良い。しかしこの実施例は、下側電極から高い周波数を印加し、かつ、上側電極から低い周波数を印加するときにも、実効的に機能し得る。

明らかなように、本願の技術によって様々な代替実施例が供される。

一の実施例は、プラズマ処理装置で用いられる電極を有する。この電極は取り外し可能な電極であって良いし、あるいは、より永続的な電極であっても良い。電極は、平行板容量結合プラズマ処理装置で用いられるように構成された電極板を有する。プラズマ処理装置は、半導体ウエハ又はフラットパネルのような標的基板を収容するプロセス空間を構成する処理チャンバを有する。排出ユニットは、処理チャンバ内部から気体を真空排気するように処理チャンバの排出ポートに接続される。第1電極と第2電極は処理チャンバ内で互いに対向するように設けられる。第1電極は上側電極(300)で、かつ、第2電極は下側電極(400)である。第2電極は、載置台によって標的基板を支持するように構成される。第1高周波(RF)出力印加ユニットは、第1RF出力を第1電極に印加するように構成される。この第1RF出力印加ユニットは、電源又は外部電源と受信及び適用する回路を有する。第2RF出力印加ユニットは、第2RF出力を第2電極へ印加するように構成される。電極板は第1電極に載置可能である。電極板は、第1電極に載置されるときに、第2電極に対向する表面領域を有する。電極板の表面領域は、実質的に平坦で、かつ、表面領域から突出した複数の同心円の輪からなる組を有する。各同心円の輪は所定の断面形状を有する。各同心円の輪は、隣接する同心円の輪から所定のギャップ距離−たとえば特定の半径距離−で離間される。

各同心円の輪の断面高さは、0.5mmよりも高くて約10.0mmよりも低くて良い。また各同心円の輪の断面幅は約1.0mmよりも広くて約20.0mmよりも狭くて良い。所定のギャップ距離は、約1.0mmよりも長くて約50.0mmよりも短くて良い。他の実施例はより狭い範囲を有する。たとえば各同心円の輪の断面高さが約1.0mmよりも高くて約3.0mmよりも低く、各同心円の輪の断面幅が約2.0mmよりも広くて約5.0mmよりも狭い一方で、所定のギャップ距離は約6.0mmよりも長くて約20.0mmよりも短い。

印加された第1RF出力は、VHF用途では3MHz〜300MHz又は30MHz〜300MHzであって良い。本願の技術はRF周波数以下では有効となり得る。各同心円の輪の断面高さ、各同心円の輪の断面幅、及び所定のギャップ距離はすべて、電極板の表面領域の直径に基づいて選択されて良い。たとえば450mm直径のウエハと比較して異なった構成が、300mm直径用に用いられることが考えられる。各同心円の輪の断面形状は略長方形であって良い。この略長方形の断面形状は、0.2mm〜1.0mmの半径を有する円筒形状を有して良く、かつ、約0.2mm〜1.0mmの半径を有する円筒形状同士を分離する部分を有して良い。

他の実施例では、プラズマ処理装置は、標的基板を収容するプロセス空間を構成する処理チャンバ、処理チャンバへ処理気体を供給するように構成される処理気体供給ユニット、処理チャンバ内部から気体を真空排気するように排出ポートと接続される排出ユニット、第1電極、及び、第1RF出力印加ユニットを有する。第1電極と第2電極は処理チャンバ内部で互いに対向するように設けられる。第1電極は上側（熱い）電極である。第2電極は下側電極である。第2電極は、載置台によって標的基板を支持するように構成される。前記載置台は静電チャックであって良い。第1電極は、第2電極と対向する表面を有する電極板を有する。この表面は、実質的に平坦で、かつ、所定形状の外側境界を有する。この表面は、複数の細長い突出部からなる組を有する。各細長い突出部は、表面から所定の高さ突出するすなわち延びる。各細長い突出部は、平坦な表面に沿って第1電極の中心点周りで延びる。細長い突出部の少なくとも一部は、表面の外側境界と実質的に相似する細長い形状を有する。よって環状電極では、細長い突出部は実質的に環状で、楕円電極では、突出部の少なくともいくつかは楕円で、かつ、長方形電極では、細長い突出部の少なくとも一部は長方形である。この一部分のすべて又は一部は、複数の細長い突出部からなる組であって良い。複数の細長い突出部からなる組は、突出部の一部が少なくとも1つの他の突出部によって取り囲まれるように位置設定される。換言すると、複数の細長い突出部の全部又は一部は、密（長方形の場合）であるか又は同心円状（環状の場合）である。所与の細長い突出部の各々は、隣接する細長い突出部から所定の距離に設けられて良い。よって各細長い突出部間の間隔は等しくても良いし、又は、可変であっても良い。第1高周波(RF)出力印加ユニットは、第1RF出力を第1電極へ印加するように構成されている。第2RF出力印加ユニットもまた、第2RF出力を第2電極へ印加するように構成されて良い。

各突出部の所定の高さは、約0.5mmよりも高くて約10.0mmよりも低くて良い。また各突出部の断面幅は約1.0mmよりも広くて約20.0mmよりも狭くて良い。その一方で隣接する突出部間のギャップ距離は、約1.0mmよりも長くて約50.0mmよりも短くて良い。あるいはその代わりに、各突出部の所定の高さが約1.0mmよりも高くて約3.0mmよりも低く、断面幅が約2.0mmよりも広くて約5.0mmよりも狭く、隣接する突出部間のギャップ距離は約6.0mmよりも長くて約20.0mmよりも短い。

プラズマ処理は、3MHz〜300MHzの第1RF出力又は30MHz〜300MHzの第1RF出力で実行されて良い。各突出部の所定の高さ及び各突出部の断面幅は、第1RF出力の周波数範囲に基づいて選択されて良い。その結果、プラズマ処理装置によって生成されるプラズマは、第1電極全体にわたって実質的に均一な電子密度を有する。高さは、プロセス空間内に生成されたプラズマからのプラズマ波の波長に基づいて決定されても良い。複数の細長い突出部からなる組の少なくとも一部は実質的に長方形の細長い形状を有して良い。

電極板は、アルミニウム、シリコン、及びドーピングされたシリコンからなる群から選ばれる材料を含んで良い。他の材料には、ステンレス鋼、炭素、クロム、タングステン、又は他の半導体材料若しくは伝導性材料が含まれる。電極板は保護コーティングを有して良い。

他の実施例は、突出部を有する電極を用いるプラズマ処理方法を含んで良い。たとえば上述のプラズマ処理装置では、処理は、標的基板を処理チャンバへ搬入し、かつ、下側電極上に標的基板を載置することから開始されて良い。処理チャンバからの初期気体は排気される。よって標的基板の搬入時に存在する如何なる気体も除去されて良い。続いて処理気体が処理チャンバへ供給される。プラズマは、第1RF出力を上側電極へ印加することによって処理気体（たとえばAr）から生成される。この上側電極は、第2電極に対向する表面領域を有する。この表面領域は、実質的には平坦で、かつ、表面領域から突出する複数の同心円の輪からなる組を有する。複数の同心円の輪からなる組は所定の間隔の分布をとるように位置設定されている。各同心円の輪は所定の断面形状を有する。プロセスは、下側電極と接続して前記下側電極に第2RF出力を印加する第2RF電源を用いることで下側電極をバイアス印加する工程を有する。生成されたプラズマが、第2電極全体にわたって約10%未満の特定電子密度不均一性を有するように、第1周波数だけではなく動作圧力も調節されて良い。

代替実施例では、電極上に含まれる輪の数は電極の直径に基づいて良い。同様に突出部の断面寸法は電極の直径に基づいて良い。一部の実施例では、300mm直径のウエハを処置するのに用いられる電極板が約2〜30の輪を有するのに対し、450mm直径のウエハを処理するのに用いられる電極板は約3〜45の輪を有する。一部の実施例では、ギャップ距離（突出部の隣接する輪又は列間の間隔）は、処理チャンバ内部で生成されるプラズマ波長又は周波数よりも小さい。他の実施例では、寸法は1/4波長に基づいて良い。

一部の実施例では、断面寸法及び/又はフィンの間隔は、上側電極に印加される周波数に基づいて良い。たとえばプラズマが、上側電極へ印加される3〜30MHzの周波数を用いて生成されるとき、フィンの間隔は第1所定フィン間隔を有して良い。よってプラズマが、上側電極へ印加される30〜300MHzの周波数を用いて生成されるとき、前記第1所定フィン間隔よりも小さな第2所定フィン間隔が用いられる。より高い周波数を上側電極へ印加する結果、プラズマ波長は、電極板よりも顕著に小さくなり得る。たとえば3〜30MHzの周波数を印加することで、生成されたプラズマは15cm以上の波長を有し得る一方で、30〜300MHz（以上）の周波数を印加することで、高次の効果に起因して、生成されたプラズマは15cm未満の波長を有し、さらには1〜3cm未満の波長を有し得る。よって上側電極板の寸法は、特定の周波数を有するように調節されて印加された出力に基づいて良い。

突出部の最適断面高さを選択することは有利である。相対的に小さな突出部高さでは、依然として電子密度は中心で高くなり得る。しかしもし突出部が高すぎる場合、電子密度は端部で高いままとなる。上側電極と下側電極との間の典型的な間隔（電極板の表面と標的基板の表面との間の間隔）は約10〜100mmであって良い。上側電極の典型的な出力範囲は50[W]〜20000[W]である一方、圧力は1mTorr（ミリトール）〜10Torrの範囲であって良い。

たとえ本発明のある典型的実施例のみが詳細に説明されたとしても、当業者は、本発明の新規な教示及び利点からほとんど逸脱することなく、多くの修正型が可能であることをすぐに理解する。従って多くの係る修正型は、本発明の技術的範囲内に含まれるものと解される。

Claims (20)

1. 平行板容量結合プラズマ処理装置内で使用されるように構成される電極板を含む、プラズマ処理装置内で使用されるための電極であって、
   当該プラズマ処理装置は：
   標的基板を収容するプロセス空間を構成する処理チャンバ；
   前記処理チャンバへ処理気体を供給するように構成される処理気体供給ユニット；
   前記処理チャンバ内部から気体を真空排気するように前記処理チャンバの排出ポートと結合する排出ユニット；
   前記処理チャンバ内部で互いに対向するように設けられている第1電極と第2電極；
   前記第１電極へ第1高周波(RF)出力を印加するように構成されている第1RF出力印加ユニット；
   前記第2電極へ第2RF出力を印加するように構成されている第2RF出力印加ユニット、を有し、
   前記第1電極は上側電極で、
   前記第2電極は下側電極で、
   前記第2電極は、載置台によって前記標的基板を支持するように構成され、
   前記電極板は前記第1電極に載置可能で、
   前記電極板は、前記第1電極に載置されるときに前記第2電極に対向する表面領域を有し、
   前記表面領域は、実質的に平坦で、かつ、前記表面領域から突出する複数の同心円の輪からなる組を有し、
   前記複数の同心円の輪の各々は所定の断面形状を有し、
   前記複数の同心円の輪の各々は、隣接する同心円の輪から所定のギャップ間隔だけ離間している、
   電極。
2. 前記複数の同心円の輪の各々の断面高さは0.5mmよりも高くて10.0mmよりも低く、
   前記複数の同心円の輪の各々の断面幅は1.0mmよりも広くて20.0mmよりも狭く、かつ、
   前記所定のギャップ間隔は1.0mmよりも長くて50.0mmよりも短い、
   請求項1に記載の電極。
3. 前記複数の同心円の輪の各々の断面高さが1.0mmよりも高くて3.0mmよりも低く、
   前記複数の同心円の輪の各々の断面幅が2.0mmよりも広くて5.0mmよりも狭く、かつ、
   前記所定のギャップ間隔は6.0mmよりも長くて20.0mmよりも短い、
   請求項2に記載の電極。
4. 前記第1RF出力が3MHz乃至300MHzである、請求項1に記載の電極。
5. 前記第1RF出力が30MHz乃至300MHzである、請求項4に記載の電極。
6. 前記複数の同心円の輪の各々の断面高さ、前記複数の同心円の輪の各々の断面幅、及び前記所定のギャップ距離はすべて、当該電極板の表面領域の直径に基づいて選択される、請求項1に記載の電極。
7. 前記複数の同心円の輪の各々の側壁が、前記表面領域に対して鈍角を有するように、前記複数の同心円の輪の各々の断面形状は三角形又は台形形状を有する、請求項1に記載の電極。
8. 前記複数の同心円の輪の各々の断面形状が長方形で、
   前記長方形の断面形状は、0.2mm乃至1.0mmの半径を有する円筒形状を有し、かつ、0.2mm乃至1.0mmの半径を有する円筒形状同士を分離する部分を有する、
   請求項1に記載の電極。
9. 標的基板を収容するプロセス空間を構成する処理チャンバ；
   前記処理チャンバへ処理気体を供給するように構成される処理気体供給ユニット；
   前記処理チャンバ内部から気体を真空排気するように前記処理チャンバの排出ポートに接続される排出ユニット；
   前記処理チャンバ内部で互いに対向するように設けられている第1電極と第2電極；
   前記第１電極へ第1高周波(RF)出力を印加するように構成されている第1RF出力印加ユニット、を有するプラズマ処理装置であって、
   前記第1電極は上側電極で、
   前記第2電極は下側電極で、
   前記第2電極は、載置台によって前記標的基板を支持するように構成され、
   前記第1電極は、前記第2電極に対向する表面を有する電極板を有し、
   前記表面は、実質的に平坦で、かつ、所定形状の外側境界を有し、
   前記表面は、複数の細長い突出部からなる組を有し、
   前記複数の細長い突出部の各々は、前記表面から所定高さだけ延び、
   前記複数の細長い突出部の各々は、前記の平坦な表面に沿って前記第1電極の中心地点の周りで延び、
   前記細長い突出部の少なくとも一部は、前記表面の外側境界と実質的に相似する細長い形状を有し、
   前記複数の細長い突出部からなる組は、前記突出部の一部が少なくとも1つの他の突出部によって取り囲まれるように設置され、
   所与の細長い突出部の各々は、隣接する細長い突出部から所定距離に設置される、
   プラズマ処理装置。
10. 前記複数の細長い突出部の各々の断面の高さは0.5mmよりも高くて10.0mmよりも低く、
    前記複数の細長い突出部の各々の断面の幅は一次関数的に変化し、前記電極板の表面での断面の幅は前記表面から所定の高さでの断面の幅よりも大きく、かつ、
    前記所定のギャップ間隔は1.0mmよりも長くて50.0mmよりも短い、
    請求項9に記載のプラズマ処理装置。
11. 前記複数の細長い突出部の各々の所定の高さが0.5mmよりも高くて10.0mmよりも低く、
    前記複数の細長い突出部の各々の断面の幅が1.0mmよりも広くて20.0mmよりも狭く、かつ、
    隣接する突出部間のギャップ間隔は1.0mmよりも長くて50.0mmよりも短い、
    請求項9に記載のプラズマ処理装置。
12. 前記複数の細長い突出部の各々の所定の高さが1.0mmよりも高くて3.0mmよりも低く、
    前記複数の細長い突出部の各々の断面の幅が2.0mmよりも広くて5.0mmよりも狭く、かつ、
    隣接する突出部間の前記ギャップ間隔は6.0mmよりも長くて20.0mmよりも短い、
    請求項11に記載のプラズマ処理装置。
13. 前記第1RF出力が3MHz乃至300MHzである、請求項9に記載のプラズマ処理装置。
14. 前記第1RF出力が30MHz乃至300MHzである、請求項13に記載のプラズマ処理装置。
15. 前記複数の細長い突出部の各々の所定の高さ及び前記複数の細長い突出部の各々の断面の幅のすべては、前記第1RF出力の周波数範囲に基づいて選択され、
    その結果当該プラズマ処理装置によって生成されるプラズマが前記第1電極全体にわたって均一な電子密度を有する、
    請求項9に記載のプラズマ処理装置。
16. 前記複数の細長い突出部からなる組の少なくとも一部が長方形の細長い形状を有する、請求項9に記載のプラズマ処理装置。
17. 前記第2電極に第2RF出力を印加するように構成される第2RF出力印加ユニットをさらに有する請求項9に記載のプラズマ処理装置であって、
    前記第1電極の電極板は、アルミニウム、シリコン、及びドーピングされたシリコンからなる群から選ばれる材料を含む、プラズマ処理装置。
18. 真空排気可能な処理チャンバ、前記処理チャンバ内に設けられて標的基板用の載置台として機能する下側電極、前記処理チャンバ内で前記下側電極と対向するように設けられる上側電極、及び、前記上側電極と接続して前記上側電極へ第1高周波(RF)出力を供給する第1RF電源を有するプラズマ処理装置を用いた基板処理のためのプラズマ生成方法であって：
    前記標的基板を前記処理チャンバ内に搬入する工程；
    前記下側電極上に前記標的基板を載置する工程；
    前記処理チャンバから初期気体を排気する工程；
    前記処理チャンバへ処理気体を供給する工程；
    前記第1RF出力を前記上側電極へ印加することによって前記処理気体のプラズマを生成する工程、を有し、
    前記上側電極は、前記第2電極に対向する表面領域を有し、
    前記表面領域は、実質的に平坦で、かつ、前記表面領域から突出する複数の同心円の輪からなる組を有し、
    前記複数の同心円の輪からなる組は所定間隔の分布をとるように配置され、各同心円の輪は所定の断面形状を有する、
    方法。
19. 当該プラズマ処理装置が、前記下側電極と接続して前記下側電極に第2RF出力を供給する第2RF電源をさらに有する請求項18に記載の方法であって、
    前記下側電極に第2RF出力を印加することで前記下側電極をバイアス印加する工程をさらに有する、方法。
20. 前記の生成されたプラズマが、前記第2電極全体にわたって10%未満の特定電子密度不均一性を有するように、前記第1RF周波数と動作圧力を調節する工程をさらに有する、請求項18に記載の方法。

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